工业冷床炉
几种熔炼炉对比
1. 镍基合金熔炼工艺国内外镍基高温合金、镍基耐蚀合金、精密合金的熔炼设备主要有真空感应炉、真空自耗炉、电渣炉、电子束炉和等离子电弧炉等。
1）真空感应炉（VIM）真空感应熔炼是一种成熟的真空熔炼方法，是镍基高温合金、耐蚀合金等的重要生产工艺，特别是对于含有铝、钛等活泼元素较多的合金，必须采用真空感应熔炼。
VIM可提供对化学成分最大程度的控制，防止了溶液与大气中氢、氧、氮的接触。
真空下反应的进行和完成比在大气下要快。
除了使溶液均匀外，感应搅拌能持续将反应物带到熔体和真空界面，从而使精炼反应顺利进行。
气体夹杂和痕量元素的蒸发能改善大多数高温合金的力学性能。
VIM缺点在于大多数最终产品都必须进行重熔，主要是为了减少偏析和控制凝固组织以及耐火材料的侵蚀，采用CaO耐火材料坩埚、电磁搅拌、陶瓷过滤等技术均可以有效提高合金的纯净度。
新建3座12 tVIM，熔炼周期14 h/炉，平均每炉产量12 t，年产能18000 t，可满足规划生产真空感应炉锭17685.8 t/a的要求。
2）电渣重熔炉（ESR）电渣冶金是目前生产高品质材料的重要方法，具有纯度高、含硫量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀的优点，广泛应用于航天航空、军工、能源、船舶、电子、石化、重型机械和交通等国民经济的重要领域。
电渣重熔的目的是通过将化学精炼和控制凝固结合起来生产高质量铸锭。
电渣重熔过程中，金属材料能够被熔渣有效地精炼，合金中的非金属夹杂物、气体和硫含量显著减少，合金的纯净度提高，因而合金的力学性能得到改善。
电渣熔炼过程中，始终有液态渣的保护，使金属不与空气接触，合金元素烧损低，成分容易控制；避免了熔炼过程中耐火材料的污染；铸锭组织致密，缩孔较小，没有疏松及皮下气泡等缺陷，提高了材料的塑性；设备简单，易于操作。
然而ESR也存在许多不足之处，如熔炼和凝固速率偏低、熔渣吸收气体、活泼元素不易控制以及电极重熔过程经受高温氧化等。
电子束冷床炉熔炼工业纯钛技术简述
［ ４ 】 王立新． 日本东 邦公 司的 １ ８ ０ ０ ｋ Ｗ 电子束冷床 炉［ Ｊ ］ ． 钛
熔 炼 、精炼 炉床 和坩埚 排列在 一 直线上 ，一个 防溅
挡板 放置在 熔炼 区和精 炼 区之 间 ，防止 材料 从熔 化
区溅至精炼 区［ ９ １ 。
Ｔ ｉ Ｎ的溶解 主要 经过如下两 个 阶段 ：氮 向基 体扩散 ， 出现针状组织过渡层 ；Ｔ ｉ Ｎ全部溶解并形成粗 大的铸 态组织 ，与周 围的熔体混 为 一体 。一般 在熔 炼过 程 中，Ｔ ｉ Ｎ属 于杂质 所以相对数量较少 ，其溶解 后不会 造成熔体 中氮含量有 明显 的增加㈣。 决定 夹 杂溶 解 的 因素 不仅 有 夹杂 本 身 的特 性 ，
２ 电子 束 冷床 炉 结构
电子束冷 床熔炼 （ Ｅ Ｂ Ｃ Ｈ Ｍ — Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ Ｂ ｅ ａ ｍ Ｃ ｏ ｌ ｄ
Ｈ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ Ｍｅ ｌ ｔ ｉ ｎ ｇ ）就是在冷坩埚 （ 水冷坩埚）熔炼技术
的基础 上 ，再加上 电子 束 的高 温外 加热 源作 用 的结 合 。电子束 冷床 炉主要 由炉体 、电子枪 系统 、进料 系统 、铸造 系统 、真空 系统 和 电子束 电源及 其控制
一
钛 铸 锭 中最 常 见 的夹 杂 有 低 密 度 夹 杂 （ Ｌ Ｄ Ｌ ，
Ｌ ｏ ｗ Ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ Ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ） 和高 密度夹杂 （ Ｈ Ｄ Ｉ ， Ｈｉ
钛合金的熔炼工艺-电子束冷床熔炼法(EBCHR)
钛合金的熔炼工艺-电子束冷床熔炼法（EBCHR）真空自耗电弧熔炼一直是钛合金的主要熔炼方法。
为了提高航空发动机用钛合金铸锭成分的均匀性和尽可能消除偏析等缺陷，一般采用三次真空电弧熔炼。
但研究证明，真空电弧熔炼消除钛合金中的高密度夹杂（HDI）和低密度夹杂（LDI）的能力有限。
而这两种缺陷是钛合金零部件的疲劳裂纹源，降低了零部件的使用寿命。
若用于航空发动机，可能引起重大事故。
因此美国在20世纪80年代开始研究开发一种熔炼钛合金的新工艺———冷床熔炼（Cold Hearth Melting，简称CHM）技术。
根据热源的不同，冷床熔炼可以分为电子束冷床熔炼（Electron Beam Hearth Melting，简称EBCM 或Electron Beam Cold-Hearth Remelting，简称EBCHR）和等离子束冷床熔炼（Plasma Arc Cold Hearth Melting，简称PACHM）两种熔炼方式。
冷床炉熔炼技术独特的熔炼方式，可以有效消除钛合金中的各种夹杂物，解决了长期困扰钛工业界的一大难题，因此，冷床熔炼技术可以认为是钛合金熔炼技术发展史上的一次飞跃。
冷床熔炼就是在冷坩埚（水冷坩埚）熔炼技术的基础上，再加上电子束或等离子束的高温外加热源作用的结合。
所谓冷床实际就是凝壳熔炼的坩埚，冷床熔炼就是凝壳熔炼的新发展。
1905年，德国的西门子（Siemens）公司和Haisko用电子束熔炼钽首次获得成功，但由于当时世界的真空技术发展水平还很有限，从而阻碍了电子束熔炼技术的发展。
真正将电子束熔炼技术推向商业化是在1957年，Temescal冶金公司利用电子束熔炼钛锭。
之后Temescal冶金公司大力发展电子束熔炼技术，在20世纪60年代初期，该公司利用横向电子枪熔炼炉制备了直径80mm的钽锭和钨锭以及直径127mm、重数百公斤的钛锭。
20世纪80年代，现代轴向电子枪取代了早期的横向电子枪，使得电子束熔炼炉的产能得到真正意义上的大幅提高。
钛合金熔炼设备-冷床熔炼炉
钛合金熔炼设备-冷床熔炼炉如图所示是电子束冷床熔炼炉的结构示意图，主要由炉体、电子枪系统、进料系统、铸造系统、真空系统和电子束电源及其控制部分组成。
炉体的结构形式与电子枪的类型、支数和原料状态及其进料方式有关，目前进料方式有水平和垂直两种。
根据原料形态而不同，可以同时有棒状料进料系统和粒状散料振动加料器系统。
加入散料时，原料由旋转式原料缸送出，再由振动进给加料器投入到冷床内。
为提高生产效率，一般原料是有两个，可交替使用，一台熔炼期间投料，而另一台则备料，因此可以不间歇供料。
原料室和熔炼室之间用真空阀隔开，其维修与保养可在保持熔炼室真空的情况下完成。
熔炼室一般为双壁水冷结构，电子枪和枪室的真空系统装在炉体上部或斜上方。
冷床装在炉室内，一边连接进料系统，另一边连接坩埚和拉锭系统。
原料熔炉在水冷铜床中进行。
原料经熔化后首先在水冷铜床内壁形成一层凝壳，后续原料在凝壳内熔化。
熔化的钛液达到一定高度后，经水冷铜床另一侧的浇口流入水冷凝结器，凝固成铸锭。
（1）熔炼室熔炼室是由Cr18NigTi不锈钢材料构成的方形结构，为了防止在电子束熔炼过程中产生的X射线，对熔炼室的材料有防辐射的要求，同时应定期检查其放射性。
一般熔炼室分别与电子枪、真空系统、进料机构、水冷铜坩埚、拉锭机构和观察测温机构相连接。
（2）电子枪电子枪由钨丝阴极、聚束极、加速阳极、栏孔板、磁聚焦透镜、磁偏转扫描透镜等部件组成，可产生250kW的电子束。
电子束轰击到金属表面上，其动能转化成热能，为熔炼提供热源。
典型的轴向电子枪如图所示。
（3）真空系统电子枪需要在高真空下工作，电子枪室的真空度，一般是在1×10-3～2×10-2Pa的压力范围内。
当真空度低于（2～3）×10-2Pa时，就会出现放电现象。
单位时间内放电的次数随着压力的增高而增加。
熔炼室内允许的工作真空度与电子枪的结构有关，也就是与电子枪的压力分级室的数量有关。
冷床炉熔炼钛及钛合金技术及其应用(续)
第 ２期
有 色 金 属 加 工
ＮＯ Ｎ ＦＥＲＲＯ ＵＳ Ｍ ＥＴＡＬＳ ＰＲＯ ＣＥＳＳＩ ＮＧ
Ｖｏ１４ Ｎｏ． ．０ ２ Ａｐｒ ０１１ ｉ２ ｌ
２１ ０ １年 ４月
冷 床 炉 熔 炼 钛及 钛 合 金 技 术 及 其应 用 （ ） 续
段 军 伟
（ 阳 有 色 金 属 加 工 设 计 研 究 院 ， 南 洛 阳 ４ １３ ） 洛 河 ７０ ９
日本 东邦 公 司 于 １９ ９ ９年 采 用 改 造 过 的 １ ８ Ｗ 电子 ．Ｍ
束 冷 床 炉 实 现 了钛 的 批 量 化 生 产 ， 生 产 ６ ０ 可 ６ ｍｍ ×
１ ５ ｍｍ ｘ ７ ０ ３ ０ ５ ｍｍ 的 优 质 纯 钛 扁 锭 。 乌 克 兰 科 学 院 ２ 巴顿 电 焊 研 究 所 开 发 出 了 冷 阴 极 辉 光 放 电 电 子 枪 ， 熔
钛集 团 于 ２ ０ ０ ４年 从 德 国 引 进 的 电 子 束 冷 床 功 率 为 ２０ Ｋ ， ４ ０ Ｗ 可生 产 圆锭 和 扁 锭 ， 目前 已生 产 出 合 格 的
￣ ３ ｍｍ 圆 锭 和 （ ７ ｍｍ、３ ０ ７６ ２０ ７ ｍｍ ） × １ ８ ｍｍ ０ ５ ｘ
提 高 产 品 质 量 ， 国 Ｄ Ｇ 公 司 从 Ａ Ｄ 购 买 了 ｌ台 Ｅ 德 Ｔ Ｌ Ｂ 炉 ， ２０ 于 ０ ８年 初 投 入 使 用 ， 大 可 生 产 １ ｔ 铸 锭 。 最 ５ 的
６ ）如 果具 有两 个 以上 的送料 器 和拉 锭器 ， 可 以 就 连续 送料 、 熔炼 、 拉锭 ， 而实 现工 业化 的连续熔 炼 。 从 ７ ）由于等 离子 熔炼 系统 是在 微正 压 条件 下工 作 ，
EB炉和VAR炉的冶炼区别
EB炉和V AR炉的冶炼区别钛是一种稀有金属，有良好的抗腐蚀能力及金属中最高的强度-重量比。
钛还能与铁、铝、钒、钼等其他元素熔成合金，制造出高强度的钛合金，广泛应用在航天、军事、工业、汽车、农产食品、医学、运动用品、珠宝及手机等领域。
钛及钛合金的冶炼方法有：真空自耗炉(V AR)、电子束冷床炉(EB)、真空等离子弧和真空等离子束熔炼(PA)、冷床炉熔炼(CHM)。
其中前两者是熔炼钛及钛合金的首选设备，在国内V AR炉较多，而EB炉相对偏少。
这两者区别是：1、原理1)EB炉是利用电子束枪产生的电场加速电子束作为热源轰击被熔金属，将电子的动能转变为热能，从而加热熔化金属。
2)V AR炉是在真空或在惰性气氛中，自耗电极棒作为阴极，在直流电弧的高温作用下迅速熔化，并在水冷铜坩埚内形成熔池。
2、EB炉优势1)EB炉可以充分去除高、低密度夹杂物，可生产航空用钛合金等高端产品。
美国明确规定航空钛合金必须采用EB炉冶炼。
2)EB炉不仅可以生产圆锭，还可以生产矩形锭供直接轧制，可省去锻造开坯，从而大幅度降低金属损耗、降低成本，以超低成本生产纯钛卷等产品。
3)EB炉可以接受大量的残钛原料。
如美国Timet冶炼钛合金时残钛加入量(质量分数)为62.4%，理论上可达到100%。
4)EB炉以其冷床精炼区的净化作用，使得对于除航空钛合金等高端产品外，大多数纯钛和钛合金均可实现一次熔炼，大大节约熔炼成本。
3、EB炉劣势1)生产钛合金时成分控制较难，对于Al、Cr等蒸汽压低于纯钛的金属，其挥发较大，而且随操作条件不断变化，如Al的挥发量(质量分数)达到1.5%。
因此需要一定的操作熟练度和磨合过程。
2)生产钛合金时炉温高、真空度高，钛金属挥发也有一定损失，通常为2%～5%。
3)EB炉造价高，与同产能的进口V AR炉相比，其造价是后者的3.5～4倍，吨材投资较高，导致设备折旧成本高。
基于以上特点，近年来EB炉在国内也逐渐推广开来，国内的宝鸡钛业和宝钢特钢都拥有EB炉设备，极大提升了冶炼水平。
冷床炉熔炼钛合金工艺流程
冷床炉熔炼钛合金工艺流程一、概述钛合金是一种具有良好力学性能、耐腐蚀性能和生物相容性的金属材料，广泛应用于航空航天、船舶、化工等领域。
冷床炉熔炼是一种常用的制备高纯度、高品质钛合金的方法，本文将详细介绍冷床炉熔炼钛合金的工艺流程。
二、冷床炉熔炼钛合金的工艺流程1. 原料准备冷床炉熔炼钛合金的原料主要包括纯钛、合金元素等。
纯钛用于提供基体金属，而合金元素用于调整合金成分，提高合金的机械性能和耐腐蚀性能。
在配料过程中，需要根据所需合金成分和性能要求，精确控制各元素的配比。
2. 熔炼过程a. 加料：将经过混合和均匀的原料装入冷床炉中，同时添加适量的保护气体，通常选择氩气或氮气。
保护气体的作用是防止原料受氧化，保证熔炼过程的干净和稳定。
b. 加热：启动冷床炉，加热到设计温度，通常在2000摄氏度左右。
高温能够使原料迅速熔化，有利于混合和扩散。
c. 脱氧：当原料熔化后，需要进行脱氧处理，以去除氧化物和杂质。
通常采用还原剂或熔剂进行脱氧，如氢气、碳等。
d. 固溶过程：在适当的温度和时间下，对熔炼好的合金进行固溶处理，使合金元素充分溶解在基体金属中，确保合金成分的均匀性。
e. 淬火：将固溶好的合金迅速冷却到室温，以形成固溶态。
淬火的目的是快速固固溶过程，避免元素分相。
3. 铸造和热处理经过熔炼和淬火后的合金可以进行铸造或热处理，以进一步改善合金的组织结构和性能。
铸造可以制备不同形状和尺寸的合金件，而热处理可以调节合金的晶粒大小和力学性能。
4. 总结冷床炉熔炼钛合金是一种高效、环保的制备方法，能够获得高纯度、高品质的钛合金材料。
在工艺流程中，需要注意原料的准备和熔炼过程的控制，保证合金的成分和性能达到要求。
通过铸造和热处理等后续工艺，可以进一步完善钛合金的组织结构和性能，满足不同应用领域的需求。
电子束冷床炉水冷系统工艺
电子束 冷床 炉是一 个 复杂 的真 空熔炼 设 备 ，它
主要 由炉室 、真空 系统 、电子枪 、进料 机构 、坩 埚 及 拉锭 机 构 、供 电系统 、水 冷 系统 ７大 部分 组 成 ，
其 中水冷 系统 主要 由密 闭循环冷 却 水 系统 、敞开 式 循环 冷却 水 系统 、温水 系统及应 急水 系统 四个部 分
管 接人 炉体水 高压 水分 配器 ，由高 压水 分配 器各 个 分 配支管 直接 接人 各用水 点保 证 突发事 件 时安保 水 能 供给 炉体各 冷却 用水点 。电子束 冷床 炉整 体供 回
水工艺流程 图由图 １ 所示 ；
本文 就 电子 束冷 床炉 水冷 系统 四部 分分 系统 工
艺及特点分别作介绍 。
环水 系统温水 系统及应急水 系统的运行及 工艺特 点，为相似 工程设计提供借鉴和参考。
关 键 词 电子 束 冷床 炉 给排 水 系统 循 环 冷 却 水 工程 设 计
１ 前 言
电子束 冷 床炉 （ Ｅ Ｂ Ｃ Ｈ Ｒ ） 熔炼工艺 技术是 在 ２ ０ 世纪 ６ ０年代 发展起 来 的，该设备 主要是利 用高速运 动 电子 的动能 转换成 热能 做为热 源 ，使金 属熔 化成 铸锭 的一 种真 空熔炼设 备 ；该设 备在 熔炼 纯 钛所用 的原料是 海绵钛及 返 回料 （ 如铸锭切 屑 、板边角料 、
［ ２ 】 郝志恒． 组 网用 网基础与提高【 Ｍ］ ． 北京： 电子 工业 出版
社， ２ ０ ０ ７ 。
５ ． ２ 结论
冷床卸钢 小车控 制 系统改 造 ， 自去年改 造 以来 运 行正 常 ，实 现 了冷 床卸 钢小 车 的 同步精 准停 位 ，
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、简介
20世纪中期以来，真空自耗电弧炉（Vacuum arc Remelting ）VAR一直是熔炼钛合金的主要方法。
航空用的一般钛合金构件一般需要熔炼两次，发动机转子等关键部件需要三次熔炼。
钛合金最严重的冶金缺陷是低密度的夹杂物和高密度的夹杂物，而他们的熔点远高于钛合金融化时的熔体温度，即使使用三次VAR熔炼也很难完全消除杂质。
Rudinger的研究结果表明，尺寸为0.6mm的WC颗粒经过三次VAR也无法充分溶解。
多起灾难性航空事故的发生，都与钛的冶金缺陷有直接的关系。
折旧促使航空发动机制造商和钛制造商寻求其他的方法来解决这一问题。
其中重要的途径就是引入了称之为迄今最新进的钛合金冶炼技术-冷床炉熔炼（CHM，Cold Hearth melting）技术。
根据热源不同，可以分为等离子（plasma arc,PA）和电子束(Electron beam,EB)冷床炉.电子束冷床炉起源于1963年，用电子束冷床炉，加真空自耗电弧炉（EBCHM+VAR）生产转动部件始于1988年。
随后，用等离子冷床炉，加真空自耗熔炼（PACHM+VAR）也取得了较好的提纯效果。
二、原理、工艺流程与除杂
三、国内工业化冷床炉的发展
目前我国的冷床炉冶炼设备并不多，西北有色研究院从德国购置了功率为500Kw的电子束冷床炉；
北京航空材料研究院引进了美国Retech公司制造的600KwPAM525等离子冷床炉。
两台都是小型熔炼设备，用以科研和试验用。
对于工业化的大型冷床炉只有宝钛和宝钢特钢拥有相关的设备。
宝钛的电子书冷床熔炼炉功率为2400Kw，可熔炼圆锭和扁锭。
宝钢特钢的等离子冷床炉是国内第一台工业用PA炉，功率3300Kw，具有4支等离子枪，年产能力1500吨。
该炉采用块状料进料，块料经过压制好后，无需焊接，就可直接放入料室，料室共两个，可以轮流向熔炼室供料，达到连续冶炼的目的。
块料被等离子枪融化后，经融化冷床，初级精炼冷床、次级精炼冷床，流入坩埚，最后凝固成圆锭或扁锭。
圆锭直径可达660mm，最大重量为7吨，扁锭截面尺寸为330*750mm，最大重量为5吨。
为节约冶炼用原料成本，回收使用等离子-氦气，该设备还配套一套氦气回收系统，回收率设计为95%。
宝钢特钢的电子束冷床炉是国内第二台工业用EB炉，功率达到3200KW，有4支电子枪，年产能力3000吨。
进料系统除了块料进料系统外，还有散料进料系统。
钛及钛合金的块料回收料，处理后（<120mm）可作为原料进行熔炼。
两个散料进料室同样可以转换装料，进料。
具有熔化冷床和精炼冷床，可熔炼圆锭和扁锭。
圆锭直径可达860mm，最大重量为12吨。
扁锭界面尺寸为400*1200mm，最大重量为10吨。